В популяции дьявольского карпозубика, находящегося на грани исчезновения, высок уровень инбридинга

Уменьшение размеров популяции часто приводит к росту инбридинга и, как следствие, повышению уровня гомозиготности и снижению приспособленности. Традиционные методы анализа уровня инбридинга представляют собой реконструкцию родословных по нейтральным генетическим маркерам. Однако ряд недавних исследований указывает на недостаточную информативность подобных методов и советует использовать полногеномные исследования. В новой работе именно при помощи полногеномного секвенирования был показан высокий уровень инбридинга в популяции дьявольского карпозубика.

Дьявольский карпозубик (Cyprinodon diabolis) — один из видов карпозубиков, обитающих в сети пустынных источников в национальном парке «Долина Смерти». Единственное местообитание C. diabolis — озеро Девилс-Хоул размерами 3,5 м на 22 м. Популяция дьявольского карпозубика начала снижаться в 1990-х годах и достигала численности 38 и 35 особей в 2007 и 2013 годах соответственно.

Ученые провели полногеномное секвенирование 23 особей C. diabolis — восемь музейных образцов, датирующихся 1937–1980 годами и 15 образцов, отобранных прижизненно в 2008–2012 годах (в итоговый анализ вошло восемь геномов). Авторы также секвенировали геномы других представителей рода, обитающих в источниках «Долины Смерти», — 13 геномов С. nevadensis, четыре С. salinus и по одному геному C. albivelis, C. eremus, C. fontinalis, C. macularius и C. radiosus. Итоговый набор данных включал в себя 6 295 414 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP).

Анализ популяционной структуры подтвердил предыдущие данные о высоком уровне изоляции C. diabolis от других видов — F_st к С. nevadensis был равен 0,34. Анализ филогении также подтвердил ранее опубликованные данные, говорящие о том, что С. diabolis является сестринским видом к C. nevadensis и C. salinus. Исследование показало, что клада карпозубиков «Долины Смерти» наиболее близка к карпозубику Оуэнса (C. radiosus), обитающему в соседней долине.

Для анализа уровня инбридинга ученые оценили количество гомозиготных участков (runs of homozygosity, ROH), представляющих собой длинные участки идентичных гаплотипов, унаследованных от общего предка. Ученые вычисляли F_ROH — отношение суммарной длины ROH более 100 кб к общему размеру генома.

Исследование выявило крайне высокие уровни инбридинга в популяции С. diabolis — F_ROH равен 0,58. При этом для сестринского вида C. nevadensis F_ROH составил 0,14, снижаясь до менее 10% в наиболее благополучных подвидах. При этом ученые обнаружили, что высокий уровень инбридинга (F_ROH = 0,55) наблюдался в популяции дьявольского карпозубика уже в 1980 году, до начала резкого снижения численности. Ученые выявили относительно низкую частоту длинных (более 10 Мб) ROH — большинство участков имели длину 0,1–1 Мб. Это свидетельствует о преимущественном скрещивании между дальними родственниками — дистанция до ближайшего общего предка варьировала от 11 до 109 поколений.

Далее ученые оценили мутационную нагрузку видов. Для этого оценивалось количество гомозиготных предковых аллелей и гетеро- и гомозиготных аллелей, возникших с момента существования последнего общего предка, для синонимичных (SYN), несинонимичных (NSYN) мутаций и мутаций с потерей функции (LOF). У С. diabolis наблюдалась значительно меньшая доля гетерозиготных генотипов среди всех типов мутаций по сравнению с сестринскими видами. Ученые также обнаружили большую частоту гомозиготных LOF аллелей, возникших с момента существования последнего общего предка в популяции дьявольского карпозубика.

Наконец, авторы проанализировали фиксированные генетические варианты, уникальные для C. diabolis. Они идентифицировали 11 LOF SNP, включая SNP, ассоциированные с генами, ответственными за сопротивление стрессу и болезням, а также способность к размножению. Ученые также обнаружили 94 делеции, уникальные для C. diabolis. 15 из них находились в радиусе 2 кб от аннотированных генов, включая гены, отвечающие за сопротивление гипоксии и контроль фолдинга белков.

Ученые отмечают, что полногеномное секвенирование музейных образцов позволяет более полно реконструировать популяционную историю вида и принимать более осознанные решения по формированию природоохранных стратегий. Исследователи также предостерегают от применения таргетных методов генетического изменения мутационных вариантов без четкого подтверждения их влияния на приспособленность животных.

Нелетающие птицы Новой Зеландии избавились от части мутационной нагрузки за 10 000 лет изоляции